В эмбриональном развитии даже довольно непохожих организмов можно выделить сходные стадии. Оплодотворенная яйцеклетка делится, образуя комок клеток, в котором формируется полость (комок клеток с полостью называется бластулой). Часть поверхности полого шарика начинает впячиваться внутрь (этот процесс называется гаструляцией), и образуется нечто вроде двухслойного мешочка (который называется гаструлой). Его внешний слой становится зародышевым листком эктодермой, из которого образуются покровы тела и чувствительные клетки. Из внутреннего слоя, который называется энтодермой, формируется пищеварительная система и другие внутренние органы. Животные, развивающиеся только лишь их этих двух зародышевых листков — энтодермы и эктодермы, называются двухслойными. К ним относятся кишечнополостные и гребневики — достаточно просто устроенные организмы с радиальной симметрией, а также губки — еще проще устроенные животные вообще без симметрии и настоящих тканей.

У более сложно организованных животных в ходе эмбрионального развития возникает и третий зародышевый листок — мезодерма. Это выпячивание энтодермы, образующее самостоятельный слой. Из мезодермы берут начало мышечные клетки и скелет. Животные, которые развиваются из трех зародышевых листков — двусторонне-симметричные: у них есть правая и левая стороны тела, в отличие от, например, медузы. Насчет того, что мезодерма появилась в эволюции позже энтодермы и эктодермы, сомневаться не приходится — всё же двухслойные животные устроены проще, чем трехслойные, и возникли раньше их. А в статье, недавно опубликованной в журнале Nature [1], приводятся данные, из которых следует, можно сказать, революционный вывод: энтодерма, оказывается, возникла раньше эктодермы. Казалось бы, эти два слоя — две стороны одной гаструлы (рис. 1). Могло ли быть так, что один из них возник в ходе эволюции раньше?

Ученые решили изучить процессы формирования зародышевых листков, ориентируясь на данные по активности генов. Чтобы не мелочиться и не упустить чего-то важного, исследователи оценили активности всех генов, которые работают на протяжении всего эмбрионального развития круглого червя (нематоды) от стадии пяти клеток до взрослой личинки. Этот червь — Caenorhabditis elegans — один из самых подробно изученных организмов. Например, точно известна судьба каждой из пяти первых клеток зародыша. Это стало возможным в том числе и благодаря удивительно аккуратному развитию нематоды: любая взрослая гермафродитная особь состоит ровно из 959 клеток (для этого червя характерна эутелия). К тому же небольшое число клеток позволяет в подробностях изучать строение целого организма. К примеру, нервная система червя, состоящая из 302 нейронов, описана с точностью до каждой связи.

Используя относительно новый метод исследования РНК индивидуальных клеток (CEL-seq)*, ученые получили профили экспрессии всех генов червя в зависимости от времени и расположения в развивающемся зародыше. Методом главных компонент удалось выделить группы генов, специфично экспрессирующихся в эктодерме, энтодерме и мезодерме. Гены, активные в мезодерме, ожидаемым образом начинали транскрибироваться позже других групп. Неожиданным же оказалось то, что экспрессионная программа энтодермы запускалась раньше, чем активировались гены эктодермы. Получается, что эти зародышевые листки приобретают свои характерные черты не одновременно.

* — Подходы к секвенированию генома и транскриптома индивидуальной клетки описаны в работе «Секвенирование единичных клеток (версия — Metazoa)» [2], а транскриптомов тысяч индивидуальных клеток сразу — в статье «Разработан метод анализа экспрессии генов на уровне индивидуальных клеток» [3]. — Ред.

Чтобы проверить, не является ли такой порядок развития зародышевых листков особенностью одних лишь нематод, ученые исследовали профили экспрессии генов и у других организмов: губки (Amphimedon queenslandica), актинии (Nematostella vectensis) и лягушки (Xenopus tropicalis). У всех этих животных тенденция была такой же: ортологи генов, экспрессируемых у нематоды в энтодерме, «включались» в ходе эмбрионального развития первыми (рис. 2). Получается, что у зародышей разных животных энтодерма появляется раньше эктодермы. Но означает ли это, что и в эволюции энтодерма возникла раньше?

Раз уж ученые определили гены, активные в разных зародышевых листках, то биоинформатическими методами стало возможным определить и эволюционный возраст этих генов. В общих чертах это делается следующим образом: берется филогенетическое древо с достаточно разнообразными организмами и для каждого исследуемого гена определяется, у кого и когда впервые возникла последовательность, в достаточной степени похожая на этот ген. Так ученые выяснили, что гены, экспрессирующиеся в энтодерме червя Caenorhabditis elegans, в среднем старше генов, активных в других зародышевых листках. Это веский довод в пользу того, что энтодерма возникла в ходе эволюции раньше эктодермы.

Такое открытие чрезвычайно важно для теорий возникновения многоклеточности. Согласно одной из них, однажды клетки со жгутиками, напоминающие современных хоанофлагеллят, «решили» объединиться в шарообразную структуру с пищеварительной полостью внутри. Исследователи сравнили гены представителя этой группы одноклеточных (Monosiga brevicolli) с генами, избирательно экспрессирующимися в трех зародышевых листках нематоды. Оказалось, что доля ортологов генов Monosiga выше среди генов, активных именно в энтодерме. Это неудивительно, учитывая, что гены, работающие в энтодерме, отвечают в основном за функции, связанные с питанием: производство энергии, метаболизм и транспорт, — то есть вопросы первоочередной важности для любого организма.

Так что, принимая во внимание порядок возникновения слоев, можно представить такую модель формирования многоклеточных:

1. сначала появился шарик из клеток со жгутиками, которым по каким-то причинам было выгодно образовать единую структуру (например, вместе они могли поймать и переварить добычу большего размера), эти клетки стали предшественниками энтодермы;
2. шарик покрылся еще одним слоем клеток, специализирующихся на взаимодействии со внешней средой, — появилась эктодерма;
3. между энтодермой и эктодермой сформировался третий слой — мезодерма, из которой развились структуры, позволяющие совершать сложные движения.

Все три слоя дали организму невероятные возможности, и трехслойный дизайн позволил возникнуть большому разнообразию сложных организмов. Но началось всё с энтодермы — самого важного для жизни зародышевого листка.

Литература

1. Hashimshony T., Feder M., Levin M., Hall B.K., Yanai I. (2015). Spatiotemporal transcriptomics reveals the evolutionary history of the endoderm germ layer. Nature. 519, 219–222;
2. Секвенирование единичных клеток (версия — Metazoa);
3. Разработан метод анализа экспрессии генов на уровне индивидуальных клеток.